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PROPIEDADES
MECANICAS DE LOS
MATERIALES

OBJETIVOS
• Explicar los conceptos básicos asociados
con las propiedades mecánicas de los
materiales.
• Evaluar los factores que afectan las
propiedades mecánicas de los materiales.
• Revisar algunos de los procedimientos
básicos de ensayos que se usan en
ingeniería para evaluar las propiedades.

CONTENIDO
• Clasificación de las propiedades
• Propiedades Mecánicas
• Ensayo a tensión
• Ensayo de dureza
• Ensayo de impacto
• Ensayo de flexión
• Ensayo de tenacidad a la fractura
• Ensayo de fatiga
• Metalografía

CLASIFICACION DE LAS
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Propiedades de los materiales
Químicas Físicas Mecánicas Dimensional
•Composición.
•Inclusiones.
•Electronegatividad.
•Configuración espacial
•Resistencia química
•Resistencia a la
oxidación o corrosión
•Inflamabilidad
•Tenacidad
•Ductilidad
•Dureza
•Fatiga
•R. a tensión
•R. al corte
•R. al doblez
•R. a la compresión
•R. a Termofluencia
•Formas disponibles
•Tamaños disponibles
•Textura superficial
•Tolerancias de
manufactura
•Térmicas
•Magnéticas
•Eléctricas
•Ópticas
•Acústicas
•Gravimétricas
•Color

PROPIEDADES MECANICAS
• La propiedades mecánicas son
características que determinan el
comportamiento del material cuando se
sujeta a esfuerzos mecánicos.
• En diseño el objetivo general es que el
producto resista esfuerzos sin un
cambio significativo o sustancial en su
geometría y por consiguiente no falle.

Una respuesta es mediante los
ensayos mecánicos
• ¿Cómo medir las propiedades de los
materiales que se utilizan para el
diseño de elementos individuales o
componentes de estructuras?

1. Resistencia a tensión
2. Elasticidad
3. Plasticidad
4. Tenacidad
5. Ductilidad y fragilidad
6. Dureza
7. Resistencia a compresión, flexión, doblez y torsión.
8. Resistencia a la termofluencia
9. Tenacidad a la fractura.
10.Límite de fatiga
Ensayo de tracción o tensión

ENSAYO DE TENSIÓN
• Esfuerzo axial ()
 
 
 
 
Psi
in
libra
S
U
Sistema
Pa
Pascal
m
N
nal
Internacio
Sistema
l
transversa
cción
se
original
área
A
uniaxial
Fuerza
F
fuerza
1
.
.
1
:
2
2
0







ENSAYO DE TENSIÓN
• Deformación ()
 
 
in
in
S
U
Sistema
mm
mm
nal
Internacio
Sistema
muestra
inicial
longitud
l
muestra
longitud
Variación
l







.
.
0

ENSAYO DE TENSIÓN
• Comportamiento del material cuando es sometido
a carga axial.
Comportamiento Elastico:
Material regresa a sus dimensiones
originales una vez se suprime la
fuerza.
Comportamiento Plastico:
Material se deforma y no puede
regresar a su dimensión inicial una
vez se suprime la fuerza.

ENSAYO DE TENSIÓN
• Máquina Universal de Ensayo donde el material
se somete a una carga axial.

ENSAYO DE TENSIÓN
• Tipos de probetas según norma ASTM E 8-79
Probeta cilíndrica Probeta Plana

ENSAYO DE TENSIÓN
• Grafica Fuerza-Desplazamiento entregada por la Máquina
Universal de Ensayo, para obtener la grafica Esfuerzo-
Deformación y así obtener las Propiedades Mecánicas del
material.
• Esfuerzo de
fluencia
• Rigidez
• Resiliencia
• Resistencia a la
tensión
• Ductilidad
• Tenacidad

ENSAYO DE TENSIÓN
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ENSAYO DE TENSIÓN
Propiedades obtenidas de la Zona Elastica
• Modulo de elasticidad o modulo de Young (E): es el
producto de dividir el esfuerzo entre la deformación
unitaria en el tramo elástico.


 
 
n
Deformació
Esfuerzo
E



Acero 207 Gpa
Aluminio 75 Gpa
Strain
Δε
Δσ
E =
Δσ
Δε
Stress

ENSAYO DE TENSIÓN
• Rigidez: es la
capacidad de no
deformarse en la
zona elástica al
aplicar un esfuerzo y
está representado
por la pendiente de la
recta o E.



ENSAYO DE TENSIÓN
• Rigidez:
• ¿Cuál material es más
rígido el acero (Steel) o
el aluminio (Aluminum)?
• ¿Por qué?
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El acero es más rígido,
a mayor pendiente
mayor rigidez y mayor
Modulo de Young.

ENSAYO DE TENSIÓN
• Limite elástico: Punto
en la grafica donde
termina el modulo de
elasticidad. Se pasa de
la zona elástica a la zona
plástica.
• Esfuerzo de fluencia:
esfuerzo donde se
genera una deformación
plástica en el material de
0,2%.



ENSAYO DE TENSIÓN
• Resiliencia: la capacidad que
tiene un material de absorber
energía antes de deformarse
plásticamente.
• Se representa por el área bajo
la curva de la zona elástica.

ENSAYO DE TENSIÓN
Propiedades obtenidas de la Zona Plastica
La resistencia a la
tensión del material:
es el esfuerzo
máximo registrado en
la grafica (-).

ENSAYO DE TENSIÓN
TENACIDAD:
es la energía por unidad de
volumen que puede absorber un
material antes de romperse, es
equivalente al área debajo de la
curva del diagrama esfuerzo
deformación.



ENSAYO DE TENSIÓN
DUCTILIDAD:
es la capacidad que tiene un
material para deformarse
plásticamente antes de
fracturar.



ENSAYO DE TENSIÓN
¿Cuál material es más
tenaz?
El Al 2024 Tempered tiene un
mayor área sobre la curva.
¿Cuál material es más
ductil?
El Al 2024 Annealed, ambos
poseen igual rigidez pero este
se deforma 0.25 mientras el
otro 0.22


Al 2024-Annealed
Al 2024-Tempered
S
T
R
E
S
S
Mpa
Strain

ENSAYO DE TENSIÓN
Comportamiento de una probeta sometida a un
ensayo de tensión.


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ENSAYO DE TENSIÓN
Variación entre una grafica real y una de ingeniería
para el esfuerzo y la deformación de un material

ENSAYO DE TENSIÓN
TIPOS DE FRACTURA
FRACTURA DUCTIL FRACTURA FRAGIL

Patron de Chevrón producido por frentes separados de
grietas que se propagan a distintos niveles en el material.
FRACTURA FRAGIL. Normalmente la superficie de fractura
es lisa y perpendicular al esfuerzo aplicado en tensión.
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CARACTERISTICAS MICROESTRUCTURALES DE LA
FRACTURA EN LOS MATERIALES METALICOS

GRAFICA - PARA VARIOS MATERIALES

DUREZA DE UN MATERIAL
• La dureza es una medida de la resistencia de un metal a la
deformación permanente.(plástica).
Ensayos de dureza:
• Brinell, Vickers, Knoop, Rockwell.
Escala de dureza de los materiales
• Macrodureza: Cuando se mide la dureza utilizando cargas mayores a
2 Newtons.
• Microdureza: Cuando se mide la dureza utilizando cargas menores a 2
Newtons.
• Nanodureza: Dureza de materiales medidos a una escala de 10 nm de
longitud utilizando cargas extremadamente pequeñas(100 µN).

CARACTERISTICAS BASICAS DE LOS
DIFERENTES METODOS DE DUREZA

D = diámetro del penetrador en mm
F = carga aplicada en kgf.
Di = diámetro de la huella dejada por el penetrador.
METODO BRINELL
Se utiliza mucho para materiales de dureza baja
y media porque el penetrador es una esfera de
Carburo cementado, con cargas de 500, 1500 y
3000 Kgf.
)
(
2
2
2
i
D
D
D
D
F
HB





)
(
2
2
2
i
D
D
D
D
F
HB




EJERCICIO
•Una medición de la dureza Brinell, utilizando un
penetrador de 10 mm de diámetro y una carga de
500 Kg, produce una huella de 4.5 mm de
diámetro en una placa de aluminio. Determine el
número de dureza Brinell de este material.

)
5
.
4
10
mm
10
(
mm
10
Kgf
500
x
2
HB
2
2




Di = 4.5 mm ; D = 10 mm ; F = 500 kgf
HB = 30 kgf/mm2
SOLUCION

136°
d1
Este método se utiliza para toda clase de materiales,
duros o blandos.
F es la carga aplicada (kgf)
d es el promedio de las dos diagonales
en mm.
A es el área de la huella en mm2
Entonces:
HV = 1.85 F / d1
2
METODO VICKERS
La carga F puede ser de 50 gramos hasta 120
kilogramos.

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ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL

DUREZA
• ESCLEROSCOPIO
• Es un instrumento que mide la altura del
rebote de un “martillo” que se deja caer
desde cierta altura sobre la superficie del
metal que se prueba.
• Este instrumento se basa en la energía
mecánica absorbida por el material cuando
el identador golpea la superficie.

COMPARACION DE ENSAYOS TIPICOS DE DUREZA

RELACION ENTRE LA DUREZA BRINELL Y LA RESISTENCIA A LA
TENSION PARA ALGUNAS ALEACIONES

ENSAYO DE IMPACTO
• La tenacidad es una medida de la
cantidad de energía que un material
puede absorber antes de fracturarse.
• Uno de los métodos más sencillos de
medida de la tenacidad es utilizar un
aparato de ensayo de impacto.

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ENSAYOS DE IMPACTO. CHARPY E IZOD

(ho-hf) = Energía consumida por la probeta al
romperse.
(ho-hf) / área = φ = Resiliencia.
•φ es una medida de la tenacidad que se puede definir
como la capacidad que tiene un material para recibir
tensiones ocasionales superiores al limite elástico sin
que se produzcan fracturas.
ENSAYOS DE IMPACTO. CHARPY

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PROPIEDADES OBTENIDAS DEL ENSAYO
DE IMPACTO.

ENSAYO DE DOBLEZ
• Resistencia a la
rotura transversal
2
5
.
1
wh
FL
TRS 

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Curva esfuerzo-deflexión para el MgO obtenida con
el ensayo de flexión.

MATERIAL
σmax.
psi
σcomp
psi
σflex.
psi
Poliester-50% fibras de
vidrio
23,000 32,000 45,000
Poliester-50% de tejido
de fibra de vidrio
37,000 27,000 46,000
Al203 (99%) 30,000 375,000 50,000
COMPARACION DE LA RESISTENCIA A LA
TENSION, A LA COMPRESION Y A LA FLEXION DE
MATERIALES CERAMICOS Y COMPUESTOS

Dependiendo de los criterios de diseño la falla se
puede presentar antes de la fractura.
La fractura, o ruptura, se presenta cuando un
componente estructural se separa en dos o más
fragmentos.
MECANICA DE LA FRACTURA

• La falla se puede definir como la incapacidad de un
material o componente de 1) realizar la función
prevista, 2) cumplir los criterios de desempeño, o
3) tener un desempeño seguro y confiable después
de deteriorarse.
• Sin importar el extremo cuidado en el diseño, la
fabricación y selección de materiales para maquina
o componentes las fallas son inevitables.
• La fractura es la separación de un solido en dos o
más piezas bajo la acción de una fuerza.

• La mecánica de la fractura es la parte
de la ciencia que se encarga del estudio
de la habilidad de los materiales para
resistir esfuerzos en presencia de un
defecto.
•TENACIDAD A LA FRACTURA: Es una
propiedad mecánica que mide la
resistencia de un material a la falla en
presencia de una discontinuidad o
defecto.

 En muchas aplicaciones la deformación plástica
representa una falla sin fractura:
 Un eje de automóvil se flexiona al pasar por un
hueco.
 Parte de la estructura de un avión se deforma
transitoriamente por la acción de una fuerte ráfaga
de viento.

•La tenacidad a la fractura mide la capacidad de un
material, que contiene una fisura, a resistir una
carga aplicada.
ENSAYO DE TENACIDAD A
LA FRACTURA

• ¿A que velocidad crece la fisura?. imagínese un
globo con un diminuto agujero. cuando la presión
interna del globo alcanza un valor crítico, se
origina una falla catastrófica y el globo explota.
LA FRACTURA

•El ensayo de tenacidad a la fractura se realiza aplicando un
esfuerzo a la tensión a una probeta preparada con un defecto
de tamaño y geometría conocidos.
LA FRACTURA

• El esfuerzo aplicado se intensifica por el defecto, el cual
actúa como un concentrador de esfuerzos.
• Para un ensayo simple, el factor de intensidad de
esfuerzo k es
K = f σπa
LA FRACTURA
f factor geométrico
σ Esfuerzo aplicado
a Tamaño de la grieta

f = 1 cuando el ancho es infinito.
K = f σπa
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ENSAYO DE TENACIDAD A LA FRACTURA
f es un factor geométrico
relacionado con la probeta y con el
defecto. σ es el esfuerzo aplicado. a
es el tamaño de grieta.

Se puede determinar el valor de k para el cual el
defecto crece y se produce la falla catastrófica.
Este valor de k es lo que se conoce como
tenacidad a la fractura = Kic . este alcanza un
valor constante cuando el espesor se incrementa,
ver fig. 6-31

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La tenacidad a la
fractura Kic de
300,000psi de un acero
disminuye con el
aumento del espesor ,
finalmente se estabiliza
adquiriendo un valor
constante Kic.

TENACIDAD A LA FRACTURA KIC EN DEFORMACION
PLANA PARA VARIOS MATERIALES

Factores que afectan la capacidad de un material
para resistir el crecimiento de una grieta:
1. Defectos grandes reducen el esfuerzo admisible.
2. Ductilidades altas permiten redondear el
extremo del defecto, por deformación, evitando
así la concentración del esfuerzo.
3. La tenacidad a la fractura es mayor en
materiales delgados.
FACTORES QUE AFECTAN LA TENACIDAD A LA
FRACTURA

4. Al aumentar la temperatura, normalmente se
incrementa la tenacidad a la fractura.
5. Normalmente una estructura de granos
pequeños mejora la tenacidad a la fractura, en
tanto que mayor cantidad de defectos puntuales
y dislocaciones reducen esta cualidad.
FRACTURA

6. Al aumentar la rapidez de aplicación de la carga,
como en un ensayo de impacto, se suele reducir la
tenacidad a la fractura del material.
7. En ciertos materiales cerámicos, también se pueden
aprovechar las transformaciones inducidas por
esfuerzos, que a su vez producen esfuerzos de
compresión para tener mayor tenacidad a la
fractura.
FRACTURA

KIC y Resistencia de diversos materiales

• PERMITE SELECCIONAR MATERIALES.- Conociendo a
y la magnitud de σ se puede seleccionar un material que
tenga un Kic grande para que impida que a no crezca.
• PERMITE DISEÑAR UN COMPONENTE.- Conociendo a
y habiendo seleccionado el material se puede calcular el σ
que puede resistir el componente.
¿QUE IMPORTANCIA TIENE LA MECANICA
DE LA FRACTURA?

La fatiga es el mecanismo más frecuente de falla, y se
cree que es la causa total o parcial del 90% de todas
las fallas estructurales.
Se conoce que este mecanismo de falla se presenta en
los metales, los polímeros y las cerámicas.
Estas últimas son las menos susceptibles a las
fracturas por fatiga.
ENSAYO DE FATIGA

ENSAYO DE FATIGA
El fenómeno de la fatiga se ilustra mejor con un
experimento sencillo:
tómese un clip y dóblese en una dirección hasta que se
forme una esquina aguda. El metal sufre una
deformación plástica en la zona del doblez, pero no se
fractura.
Si ahora se invierte la dirección del doblez y el proceso
se repite varias veces, el clip se romperá con una carga
menor que la necesaria si se estirara el alambre hasta
su fractura.
¿Cómo ocurre la falla?

• En una representación simplificada de este proceso, la
deformación plástica hace que las dislocaciones se muevan
y se crucen entre sí.
• Las intersecciones hacen disminuir la movilidad de las
dislocaciones , y para que continúe la deformación se requiere
la nucleación de más dislocaciones.
• La mayor densidad de dislocaciones degrada la perfección
cristalográfica del material, y finalmente se forman
microgrietas que crecen hasta un tamaño suficientemente
grande como para que se produzca la falla catastrófica.
ENSAYO DE FATIGA. ¿cómo se produce la
fatiga?

Superficie de fractura por fatiga
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Patrón de marcas
de playa
Estriaciones: muestran la
posición de la punta de la
grieta después de cada cíclo.

¿Cómo se realiza un ensayo de fatiga?
Hay varios métodos que permiten conocer las
propiedades de fatiga de un material, uno de ellos
es el ensayo de fatiga de probeta en voladizo
cargada por un extremo, como se observa en la
siguiente figura.

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El esfuerzo máximo que actúa sobre la probeta es,
±  = 32M / d3, donde M es el momento de flexión,
d es el diámetro. Pero M = F . (L/2) por lo tanto,
±  = 16FL /d3
ENSAYO DE FATIGA

ENSAYO DE FATIGA
Ensayo de fatiga rotacional
Tipo de probeta

•El esfuerzo límite para fatiga , definido como el esfuerzo por
debajo del cual existe una probabilidad del 50% de que ocurrirá
falla por fatiga. Es el criterio de diseño preferido. Este valor es de
60,000 psi para el acero de herramientas de la siguiente figura.
•La vida a fatiga, indica cuánto resiste un componente a un
esfuerzo en particular. Por ejemplo si al acero para herramientas de
la siguiente figura se le somete en forma cíclica a un esfuerzo de
90,000 psi, la vida a fatiga será de 105 cíclos.
RESULTADOS DEL ENSAYO DE FATIGA
•La resistencia a la fatiga, es el esfuerzo máximo con el cual
no ocurrirá fatiga en un número convencional de cíclos, por
ejemplo 500x106 . Es necesaria al diseñar con materiales como
el aluminio y los polímeros debido a que estos dos materiales no
tienen un esfuerzo límite para fatiga.

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Curva S-N, o de esfuerzo-cantidad de cíclos a la falla para un acero
de herramienta y una aleación de aluminio.
RESULTADOS DEL ENSAYO DE FATIGA. Curva S-N

• Termofluencia o deformación gradual en los metales y en las
cerámicas, es un proceso por el que un material se alarga a través
del tiempo bajo una carga aplicada y condiciones de temperatura
diferente a la ambiente (27°C).
•Es un proceso activado por la temperatura, y esto significa que la
rapidez de alargamiento, para determinado valor de esfuerzo,
aumenta mucho con la temperatura.
•La termofluencia es en extremo sensible a la microestructura
del material.
TERMOFLUENCIA

• Por ejemplo, los álabes de turbina en los motores de reacción
pueden alcanzar una temperatura local de 1200°C, por lo que el
comportamiento de termofluencia es un factor básico para
seleccionar materiales y procesos adecuados para esos álabes.
• Sin embargo, se debe hacer notar que el término alta temperatura
es relativo, y que depende del material que se considera. Para los
materiales de motores a reacción, la alta temperatura puede ser
mayor de 800°C, mientras que para los polímeros y para la
soldadura de estaño, la alta temperatura puede ser 250°C.
ENSAYO DE TERMOFLUENCIA

Las dislocaciones pueden ascender y alejarse de los obstáculos, cuando los átomos se
apartan de la línea de dislocación para crear interticios o para llenar vacancias (a).
Cuando los átomos se fijan a la línea de dislocación creando vacancias o eliminando
interticios (b).
6-14 ENSAYO DE TERMOFLUENCIA

ENSAYO DE TERMOFLUENCIA
CURVA TIPICA DE TERMOFLUENCIA

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